KR102426109B1 - 배터리시스템 - Google Patents

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Abstract

절연에 취약한 수냉식 배터리시스템의 구조에서 누설전류가 흐를 경우 스파크가 모듈 밖에서 발생하도록 유도함과 동시에 지속적인 누설전류 발생시 냉각유로와 차체 간 접지선을 차단하여 절연 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리시스템이 소개된다.

Description

배터리시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 배터리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절연에 취약한 수냉식 배터리시스템의 구조에서 누설전류가 흐를 경우, 스파크가 모듈 밖에서 발생하도록 유도함과 동시에 지속적인 누설전류 발생시 냉각유로와 차체 간 접지선을 차단하여 절연 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리시스템에 관한 것이다.
냉각유로를 통해 배터리를 냉각하는 수냉식 배터리시스템은 모터 3상 절연파괴시 AC전압에 의한 배터리 내부 절연파괴의 가능성이 있고, 직류 대비 교류 절연파괴의 가능성이 높다. 개발 과정에서 DC전압 절연전압을 충분하지만, AC전압 절연에는 취약한 경우가 있다.
종래 수냉식 배터리시스템은 냉각유로(냉각플레이트)를 접지하기 때문에 공랭식 대비 절연성능 확보가 더 어려운 문제점이 있었다. 또한, 수냉식 배터리시스템은 냉각성능을 향상시키기 위해서 냉각유로와 배터리 셀 간의 간격이 가까워 셀 벤팅시 공랭식 대비 폭발의 위험이 있었고, 고전압배터리의 릴레이가 융착상태인 경우 절연확보가 어려운 문제점이 있었다.
수냉식 배터리시스템은 AC 절연 확보를 위해 샤시와 배터리 간의 충분한 이격거리 확보가 필요하나 충분한 이격을 확보하려면 수냉식 효율이 낮아지는 문제점이 있으며, 수냉식 배터리시스템은 기밀구조이기 때문에 절연파괴로 인한 셀 실링해제시 폭발 등의 안전성 관련 위험이 존재하는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 수냉식 배터리시스템의 구조에서 기인하는 절연 취약점을 해결하기 위한 솔루션이 필요하였던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2009-0015334 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 절연에 취약한 수냉식 배터리시스템의 구조에서 누설전류가 흐를 경우, 스파크가 모듈 밖에서 발생하도록 유도함과 동시에 지속적인 누설전류 발생시 냉각유로와 차체 간 접지선을 차단하여 절연 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리시스템은, 배터리모듈; 배터리모듈과 인접하여 배치된 냉각유로; 냉각유로와 차체의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선; 및 배터리모듈에서 누설전류가 발생하는 경우 접지선이 형성하는 전기적 연결을 차단하는 누설전류 차단장치;를 포함한다.
누설전류 차단장치는, 배터리모듈 내에서 발생하는 누설전류에 의한 전기 스파크를 발생시키고, 전기 스파크의 발생 횟수에 기반하여 접지선이 형성하는 전기적 연결을 차단하는 것을 특징으로 한다.
누설전류 차단장치는, 전기 스파크가 발생하는 내부 공간을 가지며, 내부 공간의 기체 팽창에 의해 이동하는 가동부를 갖는 스파크 유도부; 가동부에 의해 작동하는 스위치부; 및 스위치부의 작동에 따라 접지선의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
스파크 유도부는, 내부 공간 내에, 배터리모듈 내의 일 지점에 전기적으로 연결된 제1 침상구조 및 배터리모듈 내의 타 지점에 연결된 제2 침상구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈의 커버 내면에 연결된 것을 특징으로 한다.
제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀 사이에 배치된 냉각핀에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
본 발명에 따른 배터리시스템은, 배터리모듈; 배터리모듈과 인접하여 배치된 냉각유로; 냉각유로와 차체의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선; 및 배터리모듈 외부에 배치되고, 배터리모듈 내의 두 지점에 각각 전기적으로 연결된 제1 침상구조 및 제2 침상구조를 갖는 누설전류 차단장치;를 포함하며, 배터리모듈 내의 두 지점 사이의 누설전류가 제1 및 제2 침상구조 사이에 전기 스파크를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.
제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈의 커버 내면에 연결된 것을 특징으로 한다.
제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀 사이에 배치된 냉각핀에 연결된 것을 특징으로 한다.
누설전류 차단장치는, 제1 및 제2 침상구조가 배치된 내부 공간을 가지며, 제1 및 제2 침상구조 사이의 전기 스파크 발생에 의해 내부 공간 내의 기체가 팽창함에 따라 이동하는 가동부를 갖는 스파크 유도부; 가동부에 의해 작동하는 스위치부; 및 스위치부의 작동에 따라 접지선의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리시스템에 따르면, 절연에 취약한 수냉식 배터리시스템의 구조에서 누설전류가 흐를 경우 스파크가 모듈 밖에서 발생하도록 유도함과 동시에 지속적인 누설전류 발생시 냉각유로와 차체 간 접지선을 차단하여 절연 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 모듈내 스파크를 방지하여 셀 실링 해제 및 폭발, 화재를 방지할 수 있다.
또한, 지속적인 누설전류가 있을 경우 냉각유로와 차체 접지를 차단함으로써, 절연 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 절연 안전성을 확보하여 차량 상품성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 배터리모듈.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 누설전류 차단장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 스파크 유도부를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 절연방법을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 누설전류 차단장치의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 배터리모듈이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 스파크 유도부를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템의 절연방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템은, 배터리모듈(100); 배터리모듈(100)과 인접하여 배치된 냉각유로(200); 냉각유로(200)와 차체(30)의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선(300); 및 배터리모듈(100)에서 누설전류가 발생하는 경우 접지선(300)이 형성하는 전기적 연결을 차단하는 누설전류 차단장치(500);를 포함할 수 있다.
배터리모듈(100)은 내부에 복수의 배터리셀(110)과 복수의 배터리셀(110) 사이에 배치되어 배터리셀(110)을 냉각시키는 냉각핀(150)을 포함한다. 냉각핀(150)은 금속도체이고, 배터리셀(110)과 맞닿아 있다. 배터리모듈(110)의 배터리셀(110)간 면압을 주기위하여 모듈내 최외각 배터리셀(110) 옆에는 금속도체로 가압하게 된다.
냉각유로(200)는 금속도체이고, 차체(30)와 접지상태에서는 정전기를 방지할 수 있다.
배터리모듈(100)과 냉각유로(200) 사이의 TIM(Thermal Interface Material)은 열전도 물질로써, 배터리모듈(100)과 냉각유로(200) 사이에서 열전도를 함과 동시에 절연성능을 갖는 재료이나, 수냉식 효과 증진 및 원가절감을 위해 최대한 얇게 설계된다.
누설전류 차단장치(500)는 배터리모듈(100) 내에서 발생하는 누설전류에 의한 전기 스파크를 발생시키고, 전기 스파크의 발생 횟수에 기반하여 접지선(300)이 형성하는 전기적 연결을 차단한다.
여기서, 누설전류 차단장치(500)는 후술할 배터리모듈(100)의 절연이 취약한 지점에서 발생하는 누설전류를 배터리모듈(100) 외부로 끌어와 전기 스파크를 발생시켜 방전시킨다. 그리고, 후술할 누설전류 차단장치(500)의 스파크 유도부(520) 내부에 기체가 충전되어 있어서, 스파크 유도부(520)는 지속적인 누설전류로 인해 전기 스파크의 발생 횟수가 증가하는 경우 내부 기체의 부피가 팽창하게 되고, 그 부피 팽창력을 이용하여 후술할 스위치부(540)를 작동시켜 접지선(300)을 차단시키게 된다.
누설전류 차단장치(500)의 구성에 대해 설명하면, 누설전류 차단장치(500)는 전기 스파크가 발생하는 내부 공간을 가지며, 내부 공간의 기체 팽창에 의해 이동하는 가동부(524)를 갖는 스파크 유도부(520); 가동부(524)에 의해 작동하는 스위치부(540); 및 스위치부(540)의 작동에 따라 접지선(300)의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이(560);를 포함할 수 있다.
여기서, 스파크 유도부(520)는 배터리모듈(100)에서 발생하는 누설전류를 스파크 형태로 방전시킬 수 있는 내부 공간과 내부에 충전되어 있는 기체(gas)의 부피 팽창에 의해 이동하는 가동부(524)를 갖는다. 내부 공간의 형태는 본 발명에서는 일 실시예로서 사각프레임 형태를 도시하고 있으나, 다양한 형태가 존재할 수 있다. 그리고, 내부에는 방전에너지에 의해 부피가 증가하는 기체가 충전될 수 있다.
도 3을 참조하면, 가동부(524)는 본 발명의 일 실시예로서 스파크 유도부(520) 내에 일부가 삽입된 상태에서 기체의 부피 팽창시 팽창력에 의해 돌출되는 형태가 될 수 있다.
스파크 유도부(520)는 내부 공간 내에, 배터리모듈(100) 내의 일 지점에 전기적으로 연결된 제1 침상구조 및 배터리모듈(100) 내의 타 지점에 연결된 제2 침상구조를 포함할 수 있다.
여기서, 스파크 유도부(520)는 배터리모듈(100)에서 발생하는 누설전류를 배터리모듈(100) 외부로 유도하여 스파크를 발생시키는 장치로써, 배터리모듈(100)의 여러 지점에 연결될 수 있으나, 수냉식 배터리시스템에서 절연이 취약한 지점인 배터리셀(110)과 모듈 커버 내면(130) 사이 또는 배터리셀(110)과 냉각핀(150) 사이에 연결될 수 있다.
구체적으로, 일 실시예로서 도 4 (a)를 참조하면 제1 침상구조는 배터리모듈(100) 내의 배터리셀(110)에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈(110)의 커버 내면(130)에 연결될 수 있다. 다른 실시예로서, 도 4 (b)를 참조하면 제1 침상구조는 배터리모듈(100) 내의 배터리셀(110)에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈(100) 내의 배터리셀(110) 사이에 배치된 냉각핀(150)에 연결될 수 있다.
도 1, 3을 참조하면, 스위치부(540)는 스파크 유도부(520)의 가동부(524)에 의해 눌리면, 스위치부(540)에 전기적으로 연결된 릴레이(560)를 작동시키게 된다.
릴레이(560)는 B접점(Nomally ON) 릴레이일 수 있으며, 냉각유로(200)와 차체(30)의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선(300) 사이에 배치되어 스위치부(540)의 작동시 온(ON)되어 접지선(300)을 차단하게 된다. 이를 통해, 배터리모듈(100) 내 지속적인 누설전류가 발생하는 경우에도 절연성능을 확보할 수 있다(반면, 지속적인 누설전류가 발생하지 않는 경우에는 냉각유로(200)와 차체(30)의 접지를 통해 정전기 방지 등의 효과가 있다).
도 5를 참조하여 본 발명의 동작 흐름을 설명하면, 먼저 배터리모듈(100)에서 일시적인 누설전류가 발생하는 경우 배터리모듈(100)에 연결된 누설전류 차단장치(500)의 스파크 유도부(520)에서 전기 스파크가 발생되어 누설전류를 방전시키게 된다. 지속적인 누설전류가 발생하는 경우 스파크 유도부(520) 내부에서는 전기 스파크 발생횟수가 증가하게 되고, 이로 인해 내부 기체의 부피가 팽창하게 되어 스위치부(540)가 작동되어 냉각유로(200)와 차체(30) 사이의 접지선(300)이 차단된다. 요약하면, 일시적인 누설전류에 대해서는 스파크 유도부(520) 내부에서 스파크 형태로 방전되고, 지속적인 누설전류에 대해서는 스파크 유도부(520) 내부에서 스파크 방전 및 방전에너지에 의한 기체의 부피팽창을 이용하여 냉각유로(200)와 차체(30) 사이의 접지선(300)의 차단에 의해 추가적인 절연 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리시스템은, 배터리모듈(100); 배터리모듈(100)과 인접하여 배치된 냉각유로(200); 냉각유로(200)와 차체(30)의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선(300); 및 배터리모듈(100) 외부에 배치되고, 배터리모듈(100) 내의 두 지점에 각각 전기적으로 연결된 제1 침상구조 및 제2 침상구조를 갖는 누설전류 차단장치(500);를 포함하며, 배터리모듈(100) 내의 두 지점 사이의 누설전류가 제1 및 제2 침상구조 사이에 전기 스파크를 발생시키도록 구성될 수 있고, 누설전류 차단장치(500)는, 제1 및 제2 침상구조(522)가 배치된 내부 공간을 가지며, 제1 및 제2 침상구조(522) 사이의 전기 스파크 발생에 의해 내부 공간 내의 기체가 팽창함에 따라 이동하는 가동부(524)를 갖는 스파크 유도부(520); 가동부(524)에 의해 작동하는 스위치부(540); 및 스위치부(540)의 작동에 따라 접지선(300)의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이(560);를 더 포함할 수 있다.
여기서, 누설전류 차단장치(500)가 연결되는 배터리모듈(100) 내의 두 지점은 상술한 바와 같이(도 4 참조) 제1 침상구조는 배터리모듈(100) 내의 배터리셀(110)에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈(100)의 커버 내면(130)에 연결될 수 있고 또는 제1 침상구조는 배터리모듈(100) 내의 배터리셀(110)에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈(100) 내의 배터리셀(110) 사이에 배치된 냉각핀(150)에 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리시스템은, 절연에 취약한 수냉식 배터리시스템의 구조에서 누설전류가 흐를 경우 스파크가 모듈 밖에서 발생하도록 유도함과 동시에 지속적인 누설전류 발생시 냉각유로와 차체 간 접지선을 차단하여 절연 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 모듈내 스파크를 방지하여 셀 실링 해제 및 폭발, 화재를 방지할 수 있다.
또한, 지속적인 누설전류가 있을 경우 냉각유로와 차체 접지를 차단함으로써, 절연 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 절연 안전성을 확보하여 차량 상품성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
30: 차체 100: 배터리모듈
110: 배터리셀 130: 배터리모듈의 커버 내면
150: 냉각핀 200: 냉각유로
300: 접지선 500: 누설전류 차단장치
520: 스파크 유도부 522: 침상구조
524: 가동부 540: 스위치부
560: 릴레이

Claims (10)

  1. 배터리모듈;
    배터리모듈과 인접하여 배치된 냉각유로;
    냉각유로와 차체의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선; 및
    배터리모듈에서 누설전류가 발생하는 경우 접지선이 형성하는 전기적 연결을 차단하는 누설전류 차단장치;를 포함하고,
    누설전류 차단장치는,
    배터리모듈 내에서 발생하는 누설전류에 의한 전기 스파크를 발생시키고, 전기 스파크의 발생 횟수에 기반하여 접지선이 형성하는 전기적 연결을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    누설전류 차단장치는,
    전기 스파크가 발생하는 내부 공간을 가지며, 내부 공간의 기체 팽창에 의해 이동하는 가동부를 갖는 스파크 유도부;
    가동부에 의해 작동하는 스위치부; 및
    스위치부의 작동에 따라 접지선의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    스파크 유도부는,
    내부 공간 내에, 배터리모듈 내의 일 지점에 전기적으로 연결된 제1 침상구조 및 배터리모듈 내의 타 지점에 연결된 제2 침상구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈의 커버 내면에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀 사이에 배치된 냉각핀에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  7. 배터리모듈;
    배터리모듈과 인접하여 배치된 냉각유로;
    냉각유로와 차체의 사이를 전기적으로 연결하는 접지선; 및
    배터리모듈 외부에 배치되고, 배터리모듈 내의 두 지점에 각각 전기적으로 연결된 제1 침상구조 및 제2 침상구조를 갖는 누설전류 차단장치;를 포함하며,
    배터리모듈 내의 두 지점 사이의 누설전류가 제1 및 제2 침상구조 사이에 전기 스파크를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈의 커버 내면에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제1 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀에 연결되고, 제2 침상구조는 배터리모듈 내의 배터리셀 사이에 배치된 냉각핀에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    누설전류 차단장치는,
    제1 및 제2 침상구조가 배치된 내부 공간을 가지며, 제1 및 제2 침상구조 사이의 전기 스파크 발생에 의해 내부 공간 내의 기체가 팽창함에 따라 이동하는 가동부를 갖는 스파크 유도부;
    가동부에 의해 작동하는 스위치부; 및
    스위치부의 작동에 따라 접지선의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리시스템.
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